Synthèse de Cd sans InP / ZnS Quantum Dots Convient pour des applications biomédicales
Summary
In this protocol, the synthesis of Cd-free InP/ZnS quantum dots (QDs) is detailed. InP-based QDs are gaining popularity due to the toxicity of Cd2+ ions that may be released through nanoparticle degradation. After synthesis, QDs are solubilized in water using an amphiphilic polymer for use in biomedical applications.
Abstract
Fluorescent nanocrystals, specifically quantum dots, have been a useful tool for many biomedical applications. For successful use in biological systems, quantum dots should be highly fluorescent and small/monodisperse in size. While commonly used cadmium-based quantum dots possess these qualities, they are potentially toxic due to the possible release of Cd2+ ions through nanoparticle degradation. Indium-based quantum dots, specifically InP/ZnS, have recently been explored as a viable alternative to cadmium-based quantum dots due to their relatively similar fluorescence characteristics and size. The synthesis presented here uses standard hot-injection techniques for effective nanoparticle growth; however, nanoparticle properties such as size, emission wavelength, and emission intensity can drastically change due to small changes in the reaction conditions. Therefore, reaction conditions such temperature, reaction duration, and precursor concentration should be maintained precisely to yield reproducible products. Because quantum dots are not inherently soluble in aqueous solutions, they must also undergo surface modification to impart solubility in water. In this protocol, an amphiphilic polymer is used to interact with both hydrophobic ligands on the quantum dot surface and bulk solvent water molecules. Here, a detailed protocol is provided for the synthesis of highly fluorescent InP/ZnS quantum dots that are suitable for use in biomedical applications.
Introduction
Points quantiques (PQ) sont semi-conducteur des nanocristaux fluorescents qui présentent des propriétés lorsqu'il est irradié par la lumière 1. En raison de leur petite taille (2-5 nm), ce qui est similaire à de nombreuses biomolécules plus grandes, et la facilité d'biofonctionnalisation, QDs sont un outil extrêmement intéressant pour les applications biomédicales. Ils ont trouvé une utilisation dans l'étiquetage biologique, une seule molécule imagerie des cellules vivantes, l'administration de médicaments, l'imagerie in vivo, la détection de pathogènes, et le suivi de la cellule, parmi beaucoup d'autres utilisations 2-8.
QDs sur CD ont été le plus souvent utilisé dans des applications biomédicales en raison de leur fluorescence intense et largeurs de pic d'émission étroites 9. Toutefois, des préoccupations ont été soulevées en raison de la toxicité potentielle de Cd 2+ 10 qui peut être libérée par la dégradation de la nanoparticule. Récemment, des points quantiques à base de InP ont été explorés en tant qu'alternative à boîtes quantiques à base de Cd, car ils conservent de nombreuses caractéristiques de fluorescencedes Cd-base QDs et peut-être plus biocompatible 11. QDs sur CD ont été trouvés à être beaucoup plus toxiques que les points quantiques à base de InP dans des essais in vitro à des concentrations aussi faibles que 22 heures, après seulement 48 h 11.
La couleur d'émission de fluorescence QDs est taille-réglable 1. Autrement dit, comme la taille des QD augmente, l'émission de fluorescence est décalée vers le rouge. La taille et la dispersité de taille des produits QD peut être modifiée en changeant la température, la durée de réaction, ou dans des conditions de concentration précurseurs pendant la réaction 12. Alors que le pic d'émission de InP QDs est généralement plus large et moins intense que les points quantiques à base de Cd, InP QDs peut être fait dans une grande variété de couleurs conçus pour éviter tout chevauchement spectral, et sont suffisamment intense pour la plupart des applications biomédicales 12. La synthèse détaillée dans ce protocole donne QDs avec un pic d'émission rouge centrée à 600 nm.
Plusieurs mesures sont prises afsynthèse ter des noyaux de QD pour maintenir l'intégrité optique des points quantiques et les rendre compatibles pour des applications biologiques. La surface du noyau de QD doit être protégée contre les défauts d'oxydation ou de surface qui peuvent causer une trempe; par conséquent, une coquille ZnS est appliquée sur le noyau pour produire InP / ZnS (core / shell) QDS 13. Ce revêtement a été montré pour protéger la photoluminescence du produit une fois par jour. La présence d'ions de zinc pendant la synthèse InP QD a été montré pour limiter les défauts de surface, ainsi que la distribution de taille de 12 diminution. Même en présence de Zn2 + dans le milieu réactionnel, la synthèse de InZnP sont 12 hautement improbable. Après revêtement, résultant QDs InP / ZnS sont enrobés dans des ligands hydrophobes tels que l'oxyde de trioctylphosphine (TOPO) ou l'oléylamine 12,14. Un polymère amphiphile peut interagir avec des ligands hydrophobes sur la surface de QD ainsi que des molécules d'eau en vrac pour conférer une solubilité dans l'eau 15. Les polymères amphiphiles avec carboxylate groupes chimiques peuvent être utilisés comme des «poignées chimiques" pour fonctionnaliser davantage les boîtes quantiques.
Ce protocole détaille la synthèse et la fonctionnalisation de hydrosolubles InP / ZnS QDs très intense émission de fluorescence et de la taille relativement petite-dispersité. Ces boîtes quantiques sont potentiellement moins toxiques que couramment utilisés QDs CdSe / ZnS. Ici, la synthèse de InP / ZnS QDs offre une alternative pratique à boîtes quantiques à base de Cd pour des applications biomédicales.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce protocole détaille la synthèse de très fluorescentes QDs InP / ZnS qui peuvent être utilisés dans de nombreux systèmes biologiques. Les produits synthétisés QD ici présentaient un pic unique d'émission de fluorescence centré à 600 nm avec une FWHM de 73 nm (Figure 1), ce qui est comparable à d'autres synthèses décrites précédemment 12. Le temps de réaction et la température de réaction sont des étapes très importants en raison de leur effet profond sur la qual…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs remercient le Département de chimie et le Collège d'études supérieures à l'Université de l'état du Missouri pour leur soutien à ce projet. Nous reconnaissons également le Laboratoire de microscopie électronique au Laboratoire national Frederick for Cancer Research pour l'utilisation de leur microscope électronique à transmission et grilles revêtues de carbone.
Materials
| Oleylamine | Acros | 129540010 | |
| Zinc (II) chloride | Sigma | 030-003-00-2 | |
| Indium (III) chloride | Chem-Impex | 24560 | |
| Tris(dimethylamino)phosphine | Encompass | 50-901-10500 | |
| 1-dodecanethiol | Acros | 117625000 | |
| Hexanes | Fisher Sci | H292-4 | |
| Acetone | TransChemical | UN 1090 | |
| Zinc Stearate | Aldrich Chem | 307564-1KG | |
| Tetrahydrofuran | Acros | 34845-0010 | |
| Molecular Water | Fisher Sci | BP2470-1 | |
| Poly(maleic anhyrdride-alt-1-tetradecene), 3-(dimethylamino)-1-propylamine derivative | Sigma | 90771-1G | |
| Boric acid | Fisher Sci | BP168-500 | |
| Sodium Tetraborate Decahydrate | Fisher Sci | BP175-500 | |
| Rhodamine B | Aldrich Chem | R95-3 | |
| Nitrogen gas | Airgas | UN1066 | |
| Trypan blue | Thermo Sci | SV30084.01 | |
| 3 mL plastic Luer-lock syringe | BD | 309657 | |
| Luer-lock Needle | Air-Tite | 8300014471 | 4 inch, 22 gauge |
| 50 mL polypropyene centrifuge tube | Falcon | 352098 | |
| 250 mL centrifuge bottle | Thermo Sci | 05-562-23 | Nalgene PPCO |
| 5 mL centrifuge tubes | Argos-Tech | T2076 | |
| 1.5 mL microcentrifuge tubes | Bio Plas | 4150 | |
| 0.1 μm Syringe filter | Whatman | 6786-1301 | Puradisc 13 mm nylon filter |
| Slide-A-Lyzer MINI Dialysis Unit | Thermo Sci | 69590 | 20,000 MWCO |
| Rotary Evaporator | Heidolph | ||
| Centrifuge 5072 | Eppendorf | Swinging Bucket with 50 mL tube adapters | |
| Lambda 650 UV/VIS Spectrometer | Perkin Elmer | UV-Vis Spectrophotometer | |
| LS 55 Fluorescence Spectrometer | Perkin Elmer | Fluorometer | |
| Axio Observer.A1 | Zeiss | epifluorescence microscope | |
| AxioCam MRm | Zeiss | CCD Camera | |
| Tecnai TF20 Microscope | FEI | Transmisison Electron Miscroscope | |
| TEM Eagle CCD | FEI | TEM CCD Camera | |
| NanoBrook Omni DLS | Brookhaven | Dynamic Light Scattering Instrument |
Referências
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